Stability investigation on phase change materials for industrial latent heat thermal energy storage

Accélérer le déploiement des énergies renouvelables et améliorer l'efficacité des systèmes énergétiques sont deux leviers essentiels de la transition énergétique. Les technologies de stockage d'énergie thermique peuvent relever ces défis, et le stockage d'énergie thermique à chaleur latente utilisant des matériaux à changement de phase (MCP) suscite un intérêt croissant. L'objectif de ce travail est d'élaborer un cadre qui doit être utilisé pour étudier de manière rigoureuse la stabilité à long terme des MCP, car à ce jour, aucun protocole standard n'est disponible dans la littérature scientifique. La démarche suivie dans ce travail comprend des cycles thermiques accélérés, des tests de contrainte thermique et des tests de corrosion. Cette approche vise à démontrer l'importance d'utiliser ces expériences de manière combinée plutôt que de se limiter à un type de test spécifique.Trois MCP ont été sélectionnés représentant les principales catégories existantes : l'acide caprique (corps organique), le chlorure de calcium hexahydraté (corps inorganique) et un mélange binaire eutectique (organique) de 1-octadécanol et d'acide palmitique.Le premier chapitre de la thèse présente le contexte général de l'étude et propose une synthèse des travaux antérieurs sur la stabilité des MCP ainsi que des techniques de caractérisation associées. Cette analyse met en évidence les lacunes de la recherche, qui ont guidé l'élaboration du protocole d'étude de la stabilité.Le chapitre 2 correspond à l'étude de l'acide caprique (pureté de 98 %). Le MCP a subi 1500 cycles thermiques afin d'évaluer sa stabilité thermique. La calorimétrie différentielle à balayage (DSC) a révélé une réduction de 10,45 % de l'enthalpie de fusion après cyclage. La chromatographie en phase gazeuse (CG) et la résonance magnétique nucléaire protonique (¹H RMN) ont confirmé et identifié la formation de sous-produits de dégradation.Le chapitre 3 étend l'analyse à deux types d'échantillons d'acide caprique : l'acide caprique d'une pureté de 99,5 % et celui d'une pureté de 98 % mais dégazé (sans oxygène). 1500 cycles thermiques ont été effectués. Les deux échantillons ont présenté des cycles de dégradation plus lents que l'acide caprique (98 % non dégazé), ce qui indique l'influence de la pureté et de la présence ou non d'oxygène. Les tests de compatibilité des matériaux avec lesquels l'acide caprique (98 % non dégazé) peut être en contact, ont montré que l'acier inoxydable (316) et l'aluminium étaient adaptés à une utilisation à long terme.Le quatrième chapitre présente l'étude de la stabilité d'un sel hydraté (CaCl2·6H2O). Le cycle thermique accéléré a été effectué pour 180 cycles. Le phénomène de dégradation est plus prononcé pendant le cycle thermique accéléré que pendant le test de contrainte thermique. L'acier inoxydable (316) a montré une bonne résistance à la corrosion pendant 84 jours.Dans le dernier chapitre, un nouveau mélange binaire biosourcé eutectique a été préparé à partir de 1-octadécanol et d'acide palmitique afin d'étudier sa stabilité à long terme en tant que MCP. Le test de cycles thermiques accélérés a porté sur 600 cycles dans un dispositif de refroidissement/chauffage. Un second test, réalisé dans le four d'un DSC, a permis d'étudier une taille d'échantillon plus faible évaluant ainsi l'effet de la taille de l'échantillon et des conditions thermiques. Les échantillons de grand volume ont montré une dégradation plus marquée que ceux de petit volume. Il convient de noter qu'un taux de corrosion plus élevé a été observé pour le cuivre, qui n'est donc pas recommandé pour une application à long terme.Ces résultats fournissent des indications précieuses pour concevoir des protocoles de tests de stabilité adaptés et pour sélectionner des méthodes de caractérisation appropriées, favorisant des études plus précises et fiables des MCP à long terme.